汪小雄,姜成春,朱 佳,謝煒平 (深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與環(huán)境工程學(xué)院,廣東 深圳 518055)

世界上淡水湖泊藻類水華發(fā)生的頻率與嚴(yán)重程度都呈現(xiàn)增長的趨勢,其中藍藻是引起藻類水華污染的主要藻類[1].水體中藻類的大量繁殖不僅使水體水質(zhì)狀況惡化,而且對飲用水的處理和安全也帶來影響,威脅飲用水的安全性:某些藻類釋放藻毒素引起人畜患病甚至死亡[2-3],藻細(xì)胞及它的胞外分泌物在氯化過程中產(chǎn)生三鹵甲烷、鹵乙酸、鹵乙氰等物質(zhì)[4-7];具有鞭毛的藻細(xì)胞易穿透絮凝體,從而破壞絮凝過程,導(dǎo)致出水存在藻細(xì)胞;藻細(xì)胞在濾床中的生長又會導(dǎo)致濾床產(chǎn)生堵塞.以上問題的存在,說明飲用水處理中不能忽視藻類的影響.一直以來,國內(nèi)水處理預(yù)氧化一直以預(yù)氯化為主,預(yù)氯化對藻類等微生物滅活、助凝提高藻類及水體顆粒物去除雖有較好的效果[8-9],但氯氧化或消毒產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物引起國內(nèi)外飲用水處理界的高度重視.臭氧作為氯預(yù)氧化的良好替代品,臭氧氧化和強化混凝被認(rèn)為是控制消毒副產(chǎn)物的最佳可行性技術(shù)[9-12].

以往的各種研究,通常使用藻細(xì)胞密度、光密度、葉綠素含量來衡量除藻率,實際工作中這些細(xì)胞早已經(jīng)失去活性,繼續(xù)臭氧催化氧化一方面降低臭氧的傳質(zhì)效果,造成很大的浪費,另一方面影響了除藻效率.本研究使用臭氧對水中銅綠微囊藻進行滅活,采用中性紅染色方法檢測細(xì)胞活性,探討藻細(xì)胞初始濃度、臭氧投加濃度、滅活時間、渾濁度、溫度、pH值等因素的影響、以及臭氧滅活后藻細(xì)胞繁殖能力比較,找出臭氧滅活水中銅綠微囊藻合適工藝條件,為使用臭氧滅活藻類提供實驗依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實驗材料

試驗中使用的銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa),購自中科院武漢水生生物研究所.藻體為小囊泡狀, 是淡水湖泊和河流中常見的藻種.采用BG-11培養(yǎng)基在5L白細(xì)口瓶中進行培養(yǎng).培養(yǎng)溫度在(26.5±0.5)℃,光照強度為 2000μE/ (m2×s),光暗比12h:12h.

1.2 方法及設(shè)備

1.2.1 試劑 中性紅:Amresco 美國.

1.2.2 儀器設(shè)備 臭氧發(fā)生器為 TOG-C2型(Ozonia Triogen in Glasgow, Scotland);熒光顯微鏡:奧林巴斯BX51(奧林巴斯);濁度計:HACH濁度測定儀; pH計:德國WTW-inoLab pH 730 型;低溫恒溫水浴槽:寧波天恒DL-1510.

1.2.3 中性紅染色 稱取 0.5g中性紅粉末溶于50mLRinger溶液中,配成1%中性紅溶液.使用時用 Ringer溶液將 1%中性紅溶液稀釋至0.02%.

取藻樣1mL,離心,加入1mL中性紅溶液,搖勻,染色 15min時間后,用顯微鏡(Olympus, BX51TF)進行觀測,顯微攝影系統(tǒng)拍攝染色情況并計數(shù).細(xì)胞被中性紅染色后,不僅說明細(xì)胞已經(jīng)死亡,而且也說明細(xì)胞的細(xì)胞膜或細(xì)胞壁已被破壞.每個樣品記數(shù) 20個視野,死亡細(xì)胞會被中性紅染成紅色,滅活率為染色細(xì)胞占總細(xì)胞數(shù)的百分比.

1.3 細(xì)胞計數(shù)

藻細(xì)胞密度采用 0.1mL浮游植物計數(shù)板進行計數(shù),計算公式為:

公式中:N為每升水樣中藻細(xì)胞的個數(shù);A為計數(shù)框面積,mm2;B為一個視野的面積,mm2;C為計數(shù)時的視野數(shù),個;D為1L水濃縮后體積,mL;E為計數(shù)框的容積,mL;F為每片所測藻類數(shù).

1.4 實驗方法

臭氧通入1L的平底燒瓶中,其中含500mL超純水溶液,向反應(yīng)器中通入O3/O2混合氣體,一定時間后,停止曝氣,臭氧濃度用靛藍比色法測定[13].將培養(yǎng)至對數(shù)增長期(細(xì)胞密度約為1.0×107個/L)的藻細(xì)胞懸液 1.0mL離心,去培養(yǎng)基.向離心管中投加不同濃度的臭氧溶液1.0mL,細(xì)胞密度約為1.0×107個/L,溫度25℃, pH7.5,使用高嶺土配制原液,控制渾濁度為 1.0NTU,達到反應(yīng)時間立即用0.1mol/L的Na2S2O3溶液終止臭氧化反應(yīng),所有實驗均重復(fù)3次.

藻類活性測試法參照文獻[14],用于比較不同濃度臭氧處理藻后其繁殖能力,方法如下:取不同濃度臭氧處理后的藻樣,進行常規(guī)顯微鏡計數(shù),得到C1;取1mL處理后水樣置于培養(yǎng)液中,搖床培養(yǎng) 7d后并進行顯微鏡計數(shù),得 C2;比值P=C2/C1表示原來水樣中藻類的活性,P值越高,藻類活性/繁殖能力越強.

2 結(jié)果與分析

2.1 臭氧投量對銅綠微囊藻活性的影響

取離心管若干,加入 1.0×107個/L藻細(xì)胞懸浮液1.0mL,離心去培養(yǎng)基,分別加入初始濃度為0,0.5,1.0,2.0,3.0mg/L的臭氧緩沖溶液,保持溫度25℃,pH7.5,濁度為 1.0NTU,不同時間點取樣,每個樣品記數(shù)20個視野,死亡細(xì)胞會被中性紅染成紅色,滅活率為染色細(xì)胞占總細(xì)胞數(shù)的百分比,結(jié)果見圖1.

從圖1中可以看出,臭氧濃度和臭氧的作用時間對滅活銅綠微囊藻效果顯著.在低濃度(0.5 mg/L)的臭氧作用條件下,作用時間即使延長(40min),滅活率為78.5%;在高濃度(3.0mg/L)作用條件下,如滅活時間 5min以內(nèi),滅活僅為30%～50%,但作用時間延長,達到 10min以上時,滅活率可以從 95.5%～99.8%以上.根據(jù)水廠臭氧使用濃度為2.0mg/L以下,本實驗表明,其作用時間為 40min,滅活率 99.0%,可以達到藻滅活的效果.從圖 2還可以看出,在各種臭氧濃度處理下,滅活率上升最快基本在前十分鐘左右,隨著時間的進行,滅活率增加幅度不大,其原因可能與臭氧的半衰期較短有關(guān),隨著時間的延長,臭氧逐漸得到分解而失去氧化能力[15].另外,對照樣的藻細(xì)胞活性也在逐步降低,說明藻細(xì)胞脫離所生長的培養(yǎng)基后,在超純水的藻液中,細(xì)胞活性受到了一定程度的影響.

圖1 臭氧投量對微囊藻活性的影響Fig.1 Effect of ozone inactivating Microsystis aeruginosa by different concentrations

2.2 初始藻細(xì)胞密度對臭氧滅活微囊藻活性的影響

一般認(rèn)為水體中藻的細(xì)胞密度達到107個/L時,暴發(fā)時局部區(qū)域細(xì)胞密度可高達108～109個/L.在電氧化殺藻過程中,藻樣初始濃度對電氧化殺藻影響較大,當(dāng)藻細(xì)胞密度接近水華閾值,即為107個/L時,采用天然水作為電解液,只需1min就可以完全滅活藻細(xì)胞.為了解初始藻樣細(xì)胞密度對臭氧滅活藻效果的影響,將1.0×107～5.0×109個/L的7個藻樣配置于超純水中,臭氧濃度為0.5、1.0、2.0mg/L,氧化時間為 40min,反應(yīng)體系在25℃,pH值為7.5,濁度為1.0NTU,測定滅活率.結(jié)果如圖2所示.由圖2可見,初始藻細(xì)胞密度升高后,臭氧氧化殺藻效果急劇下降.當(dāng)初始細(xì)胞密度為1.0×107個/L時,臭氧濃度為0.5～2.0mg/L,滅活率由 77.5%上升到 98.0%,絕大部分藻細(xì)胞已被滅活;初始藻細(xì)胞密度升高到 5.0×109個/L,臭氧濃度為0.5mg/L時,滅活率由52.5%,即使在臭氧濃度為 2.0mg/L,作用時間為 40min,滅活率也僅為63.0%時,殺藻效果明顯降低.實驗結(jié)果表明,初始藻細(xì)胞密度對臭氧氧化殺藻影響較大,當(dāng)水中藻細(xì)胞密度處于 5.0×108個/L以內(nèi)時,臭氧濃度為2.0mg/L時,藻滅活率為80.0%以上,臭氧殺藻效果明顯.

圖2 初始藻細(xì)胞密度對臭氧滅活微囊藻活性的影響Fig.2 Effect of initial cell density inactivating Microsystis aeruginosa by ozone

2.3 渾濁度對微囊藻滅活率的影響

在25℃, pH7.5,臭氧濃度為0.5,1.0,2.0mg/L,氧化時間為 40min,高嶺土配制原液,反應(yīng)體系濁度為 0.5,1.0,2.0,5.0,10.0,20.0NTU,藻細(xì)胞懸浮液密度為 1.0×107個/L,檢測銅綠微囊藻滅活率,結(jié)果見圖3.

由圖3可見,當(dāng)臭氧濃度為0.5mg/L,藻的滅活率隨濁度的增加而降低 9.5%～62%,增大臭氧濃度,藻的滅活效果逐漸增強,臭氧濃度為2.0mg/L時,濁度(0.5～20.0NTU)范圍內(nèi),滅活率為87%～98.5%,在濁度為5NTU以內(nèi)時,滅活率為 94%以上,可以達到滅活標(biāo)準(zhǔn),但濁度為 20.0 NTU時,滅活率降為 87%.原因可能是水體中的懸浮物對藻有一定的吸附,從而影響了對微囊藻滅活能力,實際生產(chǎn)中,臭氧濃度為 2.0mg/L可以滅活銅綠微囊藻.研究表明,天然水中的各種懸浮物及膠體物質(zhì),導(dǎo)致了水體濁度的改變,因此影響水體中一些微生物的去除[16-18],本研究與以往的結(jié)果一致.

圖3 濁度對微囊藻滅活效果的影響Fig.3 Effects of turbidity inactivating Microsystis aeruginosa

2.4 溫度對微囊藻滅活率的影響

在藻細(xì)胞懸浮液密度為1.0×107個/L,反應(yīng)體系為pH 7.5,濁度為1.0NTU,臭氧濃度為0.5,1.0, 2.0mg/L,氧化時間為 40min,反應(yīng)溫度為 5,15, 25,30,35℃,檢測藻藻細(xì)胞滅活率.結(jié)果見圖 4,當(dāng)臭氧濃度為2.0mg/L時,可以達到滅活效果,滅活率達到 92.0%以上,最高可以達到 98.0%.適當(dāng)降低臭氧濃度 0.5mg/L,探究溫度對臭氧滅活微囊藻的影響.在溫度為5℃時,滅活率僅為59.5%,但當(dāng)溫度升至 25℃,滅活率增強,且達到 78.5%,但溫度的上升至 35℃后,臭氧滅活能力減弱,滅活率為71.5%,臭氧在3種濃度情況下規(guī)律基本相同.其原因可能是,在低溫時候,藻細(xì)胞活性低,或處于休眠狀態(tài);溫度升高時,臭氧的溶解度受到影響,溫度越高,臭氧越易分解,削弱了臭氧的滅活能力.

2.5 pH值對微囊藻滅活率的影響

在藻細(xì)胞懸浮液密度為1.0×107個/L,濁度為1.0NTU,臭氧濃度為0.5、1.0、2.0mg/L,分別設(shè)置反應(yīng)體系的pH值為6.0、7.0、7.5、8.0和9.0,檢測微囊藻滅活率,結(jié)果見圖5.從圖5可知,隨著pH值的增加,藻的活性隨著降低,滅活率升高(濃度為2.0mg/L,滅活率由90.5%升至99.0% ).飲用水pH值一般在6～9之間,在此范圍內(nèi),臭氧濃度大于或等于2.0mg/L時,作用時間為40min,滅活率可以達到90.5%以上.

圖4 不同溫度下微囊藻滅活率的比較Fig.4 Effects of temperature inactivating Microsystis aeruginosa

圖5 不同pH值下微囊藻滅活率的比較Fig.5 Effects of pH inactivating Microsystis aeruginosa

臭氧在水中發(fā)生下列反應(yīng):O3→O+O2, O+H2O→2·OH.產(chǎn)生的·OH具有比O3更強的氧化能力,電位高,反應(yīng)能力強,速度快.pH值對微囊藻的滅活具有一定的作用,酸性條件下滅活能力弱于堿性條件,在pH值為6～9范圍,隨著pH值增加,OH-是O3分解鏈反應(yīng)的引發(fā)[19],O2-和HO2-是O3分解鏈的中間產(chǎn)物,這就是OH-能啟動O3分解鏈反應(yīng)產(chǎn)生×OH的原因.pH值升高,意味著 OH-濃度增加,有利于 O3分解鏈反應(yīng)的發(fā)生,生成更的×OH,從而提高了臭氧滅活銅綠微囊藻能力.

2.6 不同臭氧濃度氧化后對藻類繁殖能力的影響

圖6 臭氧氧化后對微囊藻活性的影響Fig.6 Effects of algae activity after ozonation by O3

工藝處理后藻類活性試驗?zāi)苊鞔_地表征藻類生存狀態(tài),為水處理除藻機制研究和工藝設(shè)計提供更清晰的信息.藻類活性測試見材料與方法,比較不同濃度臭氧處理藻后其繁殖能力.比值P=C2/C1表示原來水樣中藻類的活性, P值越高,藻類活性/繁殖能力越強.從圖6可見,臭氧作用導(dǎo)致藻類活性顯著降低,當(dāng)臭氧濃度為 0.5mg/L,處理時間40min以內(nèi)時,藻類活性由原來17.5(5min)降低到 7.0(5min);臭氧劑量越高,藻類活性越差,當(dāng)臭氧濃度為2.0mg/L,處理時間40min以內(nèi)時,藻類活性由原來 6.0(5min)降低到 0(5min).原因可能是銅綠微囊藻經(jīng)臭氧氧化處理后,其細(xì)胞的完整性破壞,導(dǎo)致藻細(xì)胞的繁殖能力受到限制.亞油酸的抑制作用結(jié)果表明,可能通過自由基的鏈鎖反應(yīng),使銅綠微囊藻 O2-·產(chǎn)生增多,胞膜的通透性增加,大分子核酸或蛋白質(zhì)受損傷,細(xì)胞生長受抑制[20].一直以來,臭氧對微生物的滅活機制尚不完全清楚,有人認(rèn)為臭氧滅活微生物首先攻擊細(xì)胞膜,導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生通透性畸變,導(dǎo)致細(xì)胞死亡;也有報道認(rèn)為臭氧破壞細(xì)胞器和細(xì)胞內(nèi)核酸,破壞了細(xì)胞的物質(zhì)代謝和繁殖過程[21],臭氧滅活藻細(xì)胞的機制尚需進一步研究.

3 結(jié)論

3.1 臭氧滅活銅綠微囊藻與其濃度和作用時間都有關(guān)系,隨著臭氧濃度和作用時間的延長,藻滅活率明顯增加,最高去除率達到99.0%(初始藻細(xì)胞密度1.0×107個/L,臭氧濃度2.0mg/L,作用時間40min,濁度為1.0 NTU,溫度25℃, pH 7.5).

3.2 濁度0.5～20NTU,溫度5～35℃,pH值6.0～9.0,初始藻細(xì)胞密度在1.0×107～5.0×109個/L范圍內(nèi),濁度越低,滅活效果越好;隨溫度上升,臭氧滅活銅綠微囊藻能力減弱;堿性較酸性條件下臭氧殺藻能力更強.

3.3 當(dāng)臭氧為2.0mg/L以上作用時間,在飲用水消毒的濁度、溫度、pH值、初始藻細(xì)胞密度濃度范圍內(nèi),銅綠微囊藻的滅活率在98.0%以上.

3.4 臭氧處理后藻類活性試驗表明,臭氧劑量越高,藻類活性越差,當(dāng)臭氧濃度為2.0mg/L,處理時間40min,藻類繁殖能力降低到0.

[1] 閆 海,潘 綱,張明明,等.微囊藻毒素的提取和提純研究 [J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2004,24(2):355-359.

[2] Lahtl K, Rapala J, Kivimaki A L, et al. Occurrence of microcystins in raw water sources and treated drinking water of finnish waterworks [J]. Wat. Sci. Tech., 2001,43(12):225-228.

[3] Beasley V R. Algae intoxication in livestock and water flow [J]. Vet Clin North Am. Food Anim. Pract., 1989,5(2):345-361.

[4] Graham N J D, Wardlaw V E, Perry R, et al. The significance of algae as trihalomethane precursors [J]. Wat. Sci. Tech., 1998,37(2):83-89.

[5] Hoehn R C, Barnes D B, Thompson B C, et al. Algae as sources of trihalomethane precursors [J]. J. Am. Water Works Assoc., 1980,72(6):344-350.

[6] Oliver B G, Shindle D B. Trihalomethanes from the chlorination of aquatic algae [J]. Environ. Sci. Technol., 1983,17(2):80-83.

[7] 王立寧,方晶云,馬 軍,等.化學(xué)預(yù)氧化對藻類細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響及其強化混凝除藻 [J]. 東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2005, 35(sup I):182-185.

[8] 劉衛(wèi)華,季 民,楊 潔,等.高藻水預(yù)氧化除藻效能與水質(zhì)安全性分析[J].中國公共衛(wèi)生, 2005,21(11):1323-1325.

[9] 趙志偉,崔福義,任 剛,等.預(yù)氧化對灤河天津段高藻期藻類的控制效果 [J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報, 2006,22(4):617-621.

[10] 方晶云,馬 軍,王立寧,等.臭氧預(yù)氧化對藻細(xì)胞及胞外分泌物消毒副產(chǎn)物生成勢的影響 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2006,27(6): 1127-1132.

[11] 付 軍,閆 海,王東升,等.聚鋁及其加載黏土礦物高效絮凝沉降銅綠微囊藻的研究 [J]. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備, 2006,7(1):76-79.

[12] Schneider O D, Tobiason J E. Preozonation Effects on Coagulation [J]. J AWWA, 2000,92(10):74-87.

[13] Bader H, Hoigne J. Determination of ozone in water by the indigo method [J]. Water Research, 1981,15(4):449-456.

[14] 劉海龍,楊 棟,趙智勇,等.高藻原水預(yù)臭氧強化混凝除藻特性研究 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2009,30(7):1914-1919.

[15] Gurol M D, Singer P C. Kinetics of ozone decomposition: A dynamic approach [J]. Environmental Science and Technology, 1982,16(7):377-383.

[16] 冉治霖,李紹峰,黃君禮,等.氯氣滅活飲用水中隱孢子蟲的影響因素 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2010,30(6):786-790.

[17] Falabi J A, Gerba C P, Karpiscak M M. Giardia and Cryptosporidium removal from waste-water by a duckweed (Lemna gibba L.) covered pond [J]. Letters in Applied Microbiology, 2002,34(5):384-387.

[18] 冉治霖,李紹峰,朱 靜,等.二氧化氯滅活水中隱孢子蟲的影響因素及機理研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2011,31(6):904-909.

[19] 張 濤,陳忠林,馬 軍,等.水合氧化鐵催化臭氧氧化去除水中痕量硝基苯 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2004,25(4):43-47.

[20] 張庭廷,鄭春艷,聶劉旺,等.亞油酸對銅綠微囊藻的抑制機理[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2009,29(4):419-424.

[21] Giovanni W, Tim C, Honorine D. et al. Structural and biochemical alterations in Giardia lamblia cysts exposed to ozone [J]. Journal of Parasitology, 2002,88(6):1100-1106.